Questi obiettivi sono in linea con le politiche di molti Paesi, come la strategia "Farm to Fork" dell'UE, volta a ridurre l'uso di input chimici e la richiesta dei consumatori di alimenti di qualità superiore e più sicuri. La necessità di ridurre l'uso di input agrochimici nei sistemi di coltivazione, insieme all'esigenza di preservare la fertilità del suolo e aumentare la produttività delle colture, richiede un migliore sfruttamento delle risorse naturali e un uso più efficiente dei fertilizzanti e di altri input. I biostimolanti possono contribuire al raggiungimento di questi obiettivi con livelli di efficacia variabili a seconda degli effetti interattivi tra prodotto biostimolante, genotipo e ambiente. Pertanto, la scelta corretta del prodotto biostimolante, della dose, del momento e del metodo di applicazione deve tenere conto dell'obiettivo da perseguire, delle pratiche culturali utilizzate e delle condizioni pedo-climatiche in cui si svolge il ciclo colturale. I benefici agronomici e ambientali che si possono ottenere con l'uso dei biostimolanti devono essere tradotti in risultati economici positivi per l'agricoltore per giustificare l'uso dei biostimolanti.

Identificazione dei fattori ambientali che limitano la produttività delle colture

La conoscenza dei fattori che limitano la produttività della coltura nel sito di coltivazione rappresenta il punto di partenza per identificare i potenziali benefici dell'applicazione di biostimolanti. L'identificazione dei fattori limitanti la produttività della coltura deve essere effettuata nella fase di pianificazione del ciclo colturale attraverso un'analisi approfondita delle condizioni pedo-climatiche del sito, l'utilizzo di serie storiche di dati meteorologici e l'analisi del suolo. Queste informazioni sono utili per identificare i fattori limitanti la produttività della coltura a livello pedologico (ad esempio, salinità) e climatico (ad esempio, temperatura sub- o sovra-ottimale), e per stabilire strategie di gestione volte a mitigare lo stress della coltura con applicazioni di biostimolanti. Tuttavia, questa valutazione iniziale dei fattori limitanti per le colture ha molti margini di errore per i fattori climatici, e quindi è necessaria una valutazione più precisa delle condizioni climatiche durante il ciclo colturale attraverso previsioni meteorologiche in tempo reale e stazioni meteorologiche in situ. I modelli di previsione meteorologica sono particolarmente utili per prevedere le condizioni di stress e pianificare l'applicazione di biostimolanti prima dell'evento di stress per attivare i meccanismi di difesa della pianta contro lo stress. Il monitoraggio dei tratti morfo-fisiologici delle colture mediante tecniche di telerilevamento può essere utile per evidenziare una condizione di stress sulla coltura, soprattutto quando l'intensità dello stress è tale da non provocare sintomi visibili, e per valutare il recupero delle piante dopo lo stress. Infine, va notato che le colture in condizioni di campo sono spesso soggette a stress multipli causati da diversi fattori ambientali che possono agire simultaneamente o consecutivamente, amplificando gli effetti negativi dei fattori di stress sulle colture. Per esempio, nei climi caldo-aridi sono molto comuni gli stress multipli causati da temperatura e siccità sovra-ottimali o da salinità e siccità in colture non irrigue.

Fig. 1. Piattaforma di fenotipizzazione ad alta velocità di Arcadia s.r.l., società spin-off approvata dall'Università della Tuscia, presso l'Azienda Agricola Sperimentale dell'Università della Tuscia, Viterbo, Italia(www.arcadia.expert).

Come scegliere il biostimolante

La scelta di un biostimolante microbico e/o non microbico per raggiungere un obiettivo specifico (ad esempio, aumentare la resistenza della coltura a uno o più fattori di stress ambientale, aumentare l'efficienza nell'uso dei nutrienti, migliorare uno o più tratti qualitativi della coltura) richiede una conoscenza comprovata dell'attività biologica del prodotto in condizioni di coltivazione simili. Queste informazioni possono essere disponibili in relazioni tecniche, banche dati, articoli tecnici e scientifici e libri specifici in cui sono riportati i risultati delle prove agronomiche. Le relazioni tecniche possono essere fornite direttamente dai produttori di biostimolanti, mentre gli articoli e i capitoli di libri possono essere reperiti nei motori di ricerca web, alcuni dei quali sono accessibili gratuitamente (ad es. https://scholar.google.com) mentre altri possono essere consultati a pagamento (es. https://www.scopus.com). Gli studi condotti sui biostimolanti sono più utili quando non considerano solo gli aspetti agronomici (ad esempio, la resa delle colture), ma includono anche approfondimenti per comprendere la modalità d'azione dei prodotti e gli effetti interattivi con altri biostimolanti e input chimici (ad esempio, fertilizzanti, pesticidi). Quando il biostimolante selezionato viene applicato insieme ad altri biostimolanti o input chimici, è necessario verificare che i prodotti applicati interagiscano sinergicamente o almeno in modo additivo. Per esempio, Rouphael et al (2017) hanno riscontrato che l'applicazione di due biostimolanti (applicazione radicale di un inoculo di funghi micorrizici e applicazione fogliare di un idrolizzato proteico di origine vegetale) su una coltura di piante da fiore.idrolizzato proteico di origine vegetale) su piante di lattuga ha prodotto un'interazione sinergica con un aumento del peso fresco dei germogli superiore (+33%) alla somma degli effetti causati dall'applicazione del singolo biostimolante (+16% con l'applicazione radicale dell'inoculo di funghi micorrizici o +7% con l'applicazione fogliare dell'idrolizzato proteico di origine vegetale).

È interessante notare che sono state riscontrate interazioni positive anche tra biostimolanti e pesticidi. Ad esempio, gli effetti negativi degli erbicidi (fitotossicità e depressione della crescita) sulle piante di girasole sono stati ridotti quando le piante sono state irrorate fogliarmente con una combinazione di idrolizzato proteico ed erbicida a base di imazamox (Balabanova et al., 2016). Per quanto riguarda la nutrizione minerale, diversi lavori scientifici hanno evidenziato interazioni positive tra biostimolanti e fertilizzanti, con conseguente miglioramento dell'assorbimento, della traslocazione e dell'assimilazione dei nutrienti nelle piante. Ad esempio, Colla et al. (2017) hanno riscontrato un aumento della concentrazione di potassio fogliare in seguito a trattamenti fogliari con idrolizzato proteico di origine vegetale su pomodori in serra, mentre Celletti et al. (2020) hanno riportato che lo stesso idrolizzato proteico di origine vegetale ha aumentato la concentrazione di ferro fogliare di piante di pomodoro coltivate in idroponica.

Le interazioni negative tra i biostimolanti sono tipiche di alcuni biostimolanti microbici; i microrganismi possono competere tra loro e svolgere azioni di inibizione reciproca attraverso l'antibiosi e/o il micoparassitismo. Il fungo saprofita Trichoderma harzianum, ad esempio, è ben noto per inibire i funghi micorrizici arbuscoli quando viene applicato alle radici (Cardarelli et al., 2016).

I risultati di cui sopra evidenziano l'importanza di un'accurata valutazione dell'attività dei biostimolanti, considerando gli effetti target sulle colture. A questo proposito, le piattaforme di fenotipizzazione high-throughput in ambiente controllato consentono di riprodurre con precisione specifiche condizioni di stress e/o disponibilità di nutrienti e di verificare accuratamente gli effetti dei prodotti su varie colture attraverso l'analisi di immagini acquisite durante il ciclo colturale (Figura 1).  

La scelta del biostimolante dipende anche dalle formulazioni disponibili che devono semplificare l'applicazione in campo utilizzando le comuni attrezzature agricole. Per questo motivo, i produttori di biostimolanti hanno sviluppato numerose formulazioni in polvere, granuli, liquidi e compresse da applicare ai semi, al substrato in vivaio e al terreno in campo, attraverso irrorazioni fogliari, sistemi di irrigazione e immersione delle radici. Sul mercato sono disponibili anche molte formulazioni di fertilizzanti contenenti biostimolanti e nutrienti minerali ottenuti mediante miscelazione dei componenti o reazioni di complessazione (ad esempio, biochelati contenenti nutrienti cationici complessati da peptidi). Queste formulazioni consentono di fornire nutrienti e biostimolare le piante in un unico passaggio, favorendo anche effetti sinergici sulla nutrizione delle piante tra i componenti bioattivi e gli elementi nutritivi.

Quando applicare il biostimolante

Il momento dell'applicazione del biostimolante dipende dall'effetto desiderato, dal tipo di biostimolante, dalla coltura e dalle condizioni ambientali. I biostimolanti microbici, come quelli basati su inoculi di funghi micorrizici, vengono applicati preferibilmente una sola volta sul materiale di propagazione o nelle prime fasi del ciclo colturale, mentre le sostanze biostimolanti vengono spesso applicate ripetutamente seguendo diversi approcci: a) applicazione a calendario; b) applicazione in specifiche fasi fenologiche della coltura; c) applicazione prima, durante e/o dopo eventi meteorologici avversi. Le applicazioni calendarizzate di biostimolanti sono preferibili quando la coltura vive in condizioni non ottimali per la maggior parte del ciclo vegetativo, come nel caso di irraggiamento e temperature non ottimali durante i cicli colturali autunno-invernali-primaverili in serre non riscaldate o nel caso di terreni salini. Tuttavia, questo approccio è economicamente fattibile solo per le colture di alto valore come gli ortaggi o le specie floreali e ornamentali in condizioni di serra. Per le colture a ciclo lungo (ad esempio, il grano), dove la bassa redditività rende economicamente insostenibile l'applicazione multipla di sostanze biostimolanti, si raccomanda di dare priorità alle applicazioni di biostimolanti nelle fasi critiche della coltura, come la germinazione, la fioritura e l'ingrossamento dei frutti. I trattamenti biostimolanti possono essere limitati a specifiche fasi fenologiche quando è necessario promuovere una specifica caratteristica della pianta, come la radicazione con applicazioni precoci di biostimolanti o l'allegagione e la qualità dei frutti con applicazioni tardive di biostimolanti. In caso di stress abiotico occasionale (ad esempio, un improvviso abbassamento delle temperature), è meglio applicare il biostimolante qualche giorno prima dello stress, in modo da attivare le difese endogene della pianta. Recenti studi condotti da Luziatelli et al (2016) hanno inoltre dimostrato che le applicazioni fogliari di sostanze biostimolanti sono in grado di stimolare i batteri epifiti presenti in natura, che sono in grado di promuovere la crescita della pianta e la resistenza allo stress. Dopo l'evento di stress, le applicazioni di biostimolanti possono essere utili per promuovere una rapida ripresa delle colture. Nelle colture erbacee e orticole, le sostanze biostimolanti vengono spesso applicate insieme ai pesticidi per risparmiare tempo e attenuare lo stress da pesticidi sulle colture. Tuttavia, va notato che prima di miscelare diversi prodotti, è necessario verificarne la compatibilità e l'assenza di effetti fitotossici della miscela di prodotti sulla coltura.

Fig. 2. Mobilità ionica qTOF nel laboratorio di lipidomica e metabolomica di oloBion S.L., Mobilità ionica qTOF nel laboratorio di lipidomica e metabolomica di oloBion Tarragona, Spagna (www.olobion.ai) QTOF a mobilità ionica nel laboratorio di lipidomica e metabolomica di oloBion.

Valutazione delle prestazioni dei biostimolanti a livello aziendale

Le prestazioni dei biostimolanti devono essere valutate dal punto di vista agronomico, economico e ambientale.

Per valutare i benefici agronomici dei biostimolanti vegetali in condizioni di campo, è necessario misurare i tratti colturali più interessanti (ad esempio, germinazione, resa) nella coltura trattata con il biostimolante e confrontarli con i valori ottenuti da colture non trattate coltivate in condizioni ambientali simili. Per i biostimolanti microbici, le misurazioni dei tratti colturali selezionati devono sempre essere accompagnate da analisi di laboratorio per verificare l'insediamento del/i microrganismo/i applicato/i (ad esempio, analisi della colonizzazione radicale per i funghi micorrizici). Per valutare rapidamente l'attività di un biostimolante si possono eseguire misurazioni in campo dei caratteri delle colture. Per esempio, strumenti portatili possono consentire di stimare in modo non distruttivo la concentrazione di clorofilla (ad es. SPAD 502) e anche di flavonoli e antociani (ad es. Multi-pigment-meter) delle foglie. La concentrazione di clorofilla fogliare è un buon indicatore della salute delle piante, mentre il rapporto tra clorofilla e flavonoidi (il cosiddetto indice di bilancio dell'azoto) è utilizzato per valutare lo stato di nutrizione azotata delle piante. Le misurazioni sul campo della fluorescenza della clorofilla fogliare possono essere effettuate con un fluorimetro portatile. I dati di fluorescenza della clorofilla sono utilizzati per determinare l'efficienza massima del fotosistema II (Fv/Fm); i valori di Fv/Fm delle foglie di una pianta in buone condizioni fisiologiche dovrebbero essere compresi tra 0,79 e 0,84 a seconda della specie vegetale. La concentrazione di clorofilla nelle foglie è un marcatore di stress più sensibile del rapporto Fv/Fm, che varia solo in condizioni di stress grave. Per valutare l'efficacia di un biostimolante nel mitigare lo stress idrico della coltura, può essere utile monitorare il grado di apertura degli stomi nelle foglie (conduttanza stomatica) usando un porometro portatile e il potenziale idrico fogliare usando una camera a pressione. Gli effetti dei biostimolanti sull'assorbimento dei nutrienti da parte delle piante possono essere monitorati con strumenti portatili che consentono di misurare in campo nitrati, potassio, calcio o sodio sui piccioli delle foglie; i valori ottenuti possono essere confrontati con i dati della letteratura o con quelli ottenuti da piante non trattate dello stesso campo. Il telerilevamento può essere utilizzato anche per il monitoraggio della crescita delle colture e per il rilevamento rapido dello stress delle piante su vaste aree. Dalle immagini spettrali si possono ricavare diverse caratteristiche legate alla vegetazione, comprese le proprietà biochimiche (ad esempio, pigmenti, contenuto d'acqua). Uno degli indici di vegetazione più popolari derivati dalle immagini spettrali è l'indice di vegetazione differenziale normalizzato (NDVI), che può essere utilizzato come indicatore della salute della vegetazione.

Oltre alle misurazioni in campo dei caratteri delle colture, è utile effettuare analisi di laboratorio di specifici marcatori di stress (ad esempio, la concentrazione di malondialdeide come indicatore della perossidazione dei lipidi della membrana cellulare; l'attività degli enzimi del sistema di difesa antiossidante) nei tessuti vegetali per una migliore valutazione della risposta della pianta al trattamento biostimolante in condizioni di stress. Una migliore comprensione dell'attività del biostimolante e dei relativi meccanismi d'azione a livello molecolare può essere ottenuta attraverso le analisi metabolomiche, che consentono di caratterizzare l'insieme dei metaboliti presenti nei tessuti vegetali (Figura 2). Il confronto tra i metaboliti presenti nei tessuti vegetali di piante trattate con biostimolanti e quelli presenti nei tessuti vegetali di piante non trattate permette di identificare le vie metaboliche interessate dal trattamento con biostimolanti. Ad esempio, Bonini et al. (2020) hanno riportato che l'inoculazione con funghi micorrizici(Rhizoglomus irregularis BEG72 e Funneliformis mosseae BEG234) e Trichoderma koningii TK7 ha aumentato del 24% la resa dei frutti di peperone in serra rispetto al controllo non trattato; l'analisi metabolomica sui tessuti fogliari ha mostrato che l'aumento della resa dei frutti mediato dai micorrizici era associato a cambiamenti nell'equilibrio ormonale (auxine, gibberelline e citochinine) e nei metaboliti secondari (carotenoidi, saponine e fenoli).

L'analisi metabolomica sul prodotto commestibile permette anche di determinare se il biostimolante provoca un miglioramento della qualità nutrizionale del prodotto.  

L'analisi economica è essenziale per valutare la convenienza dell'applicazione di un biostimolante vegetale. L'applicazione di biostimolanti può aumentare la redditività degli agricoltori aumentando la resa commerciabile, migliorando le caratteristiche qualitative del prodotto e influenzandone il prezzo di vendita o riducendo i costi di produzione grazie a una minore richiesta di input (ad esempio, fertilizzanti). Questi effetti possono verificarsi uno alla volta o anche congiuntamente.

Per valutare la convenienza dell'applicazione di un biostimolante vegetale, è necessario considerare il costo del biostimolante in termini di utilizzo (acquisto e distribuzione) e di effetto (variazione della resa del raccolto e dei relativi costi variabili). I dati di cui sopra vengono utilizzati per calcolare il margine lordo come differenza tra il valore della produzione e i costi delle materie prime, dei servizi e della manodopera. La differenza tra il margine lordo con o senza l'applicazione del biostimolante permette di valutare la convenienza economica dell'uso del biostimolante. Coletta (2019) ha riportato diversi casi di studio in cui l'applicazione di biostimolanti vegetali ha portato a un aumento significativo dei margini lordi, soprattutto per le colture orticole di alto valore.

L'uso di biostimolanti in agricoltura può portare a una riduzione dell'impatto ambientale del processo produttivo, riducendo le emissioni di gas a effetto serra, convenzionalmente espresse come_CO2 equivalente (impronta di carbonio), nonché il consumo di acqua e l'uso del suolo associati a una determinata quantità di prodotto. Il miglioramento degli indicatori di impatto ambientale associati all'uso di biostimolanti può derivare da un aumento della resa commerciabile utilizzando lo stesso livello di input (ad esempio, acqua per l'irrigazione, fertilizzanti, energia), da una riduzione degli input per ottenere la stessa resa commerciabile o da un contemporaneo aumento della resa commerciabile e riduzione degli input. La quantificazione dei benefici ambientali indotti dall'applicazione di biostimolanti sui sistemi colturali può essere ottenuta con la metodologia dell'analisi del ciclo di vita (LCA) applicata alla fase di produzione primaria "dalla culla al cancello". Questa metodologia è stata utilizzata da Rajabi et al. (2020) in due casi di studio in condizioni di serra. Nel primo caso di studio, l'applicazione radicale di inoculo di funghi micorrizici arbuscoli su una coltura di zucchine ha ridotto le emissioni di gas serra del 7,6%, espresse come_CO2 equivalente per tonnellata di frutti, rispetto al controllo non trattato, mentre nel secondo caso di studio le applicazioni fogliari di idrolizzato proteico di origine vegetale su una coltura di spinaci hanno ridotto significativamente le emissioni di gas serra del 13,5% kg di_CO2 equivalente per tonnellata di foglie rispetto al controllo non trattato. Questi risultati sono stati attribuiti all'effetto positivo delle applicazioni di biostimolanti sulla resa delle colture. La riduzione delle emissioni di gas serra associata al prodotto trattato con biostimolanti può essere utilizzata per iniziative di green marketing volte a promuovere il consumo sostenibile, con conseguente vantaggio competitivo per l'azienda sia in termini di reddito che di reputazione.

Conclusioni

I biostimolanti vegetali rappresentano una buona opportunità per aumentare la resa delle colture, soprattutto in condizioni di stress ambientale, per migliorare la qualità dei prodotti e per aumentare l'efficienza nell'uso delle risorse. L'uso dei biostimolanti vegetali è in crescita in tutto il mondo e ogni giorno appaiono sul mercato nuovi biostimolanti. Tuttavia, la scelta dei biostimolanti da applicare è spesso effettuata in modo empirico, senza una conoscenza approfondita delle caratteristiche e delle prestazioni del prodotto. Questo approccio può portare a risultati variabili e non sempre ottimali, causando perdite economiche per gli agricoltori. Per massimizzare i benefici delle applicazioni di biostimolanti, è quindi necessario utilizzare un approccio tecnico-scientifico che comprenda la definizione degli obiettivi da perseguire con l'applicazione dei biostimolanti, considerando i fattori potenzialmente limitanti la produttività della coltura nel sito di coltivazione, l'identificazione dei prodotti più performanti sulla base dei risultati di prove agronomiche condotte in condizioni di coltivazione simili, e la definizione delle strategie di applicazione dei biostimolanti considerando le caratteristiche del prodotto e le esigenze della coltura. Il monitoraggio dei caratteri morfo-fisiologici e produttivi della coltura può essere utile per verificare l'attività del biostimolante in condizioni di campo, mentre le analisi di laboratorio possono evidenziare gli effetti del biostimolante a livello molecolare e sulla qualità nutrizionale del prodotto. Infine, la valutazione della convenienza dell'uso di un biostimolante deve considerare un'analisi dei costi-benefici associati all'applicazione del biostimolante e la quantificazione degli eventuali benefici derivanti dall'uso del biostimolante in termini di mitigazione dell'impatto ambientale del processo produttivo.